高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)的研究.pdf

1、高精度的時(shí)間間隔測(cè)量作為一門專業(yè)的技術(shù)學(xué)科,在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)儀器、粒子物理研究、深空通訊、激光測(cè)距、天文觀測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域的發(fā)展都離不開高精度的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)。在平時(shí)生活中,時(shí)間的使用常常精確到分鐘或秒就足夠了,即便在天文衛(wèi)星測(cè)量方面,滿足測(cè)量需求的時(shí)間間隔測(cè)量也只精確到納秒。但是在很多工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和粒子物理實(shí)驗(yàn)中,時(shí)間間隔測(cè)量作為一種重要的鑒別和探測(cè)手段,對(duì)精度要求會(huì)比較高,己經(jīng)達(dá)到皮秒量級(jí)。因此,提

2、高時(shí)間間隔測(cè)量的精度成為了很多應(yīng)用方向的重要目標(biāo)。
　　近幾年,高精度的時(shí)間測(cè)量技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。其實(shí)現(xiàn)方法也越來越多,目前,國(guó)內(nèi)對(duì)時(shí)間測(cè)量分辨率小于1ns的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究比較少,僅有少數(shù)幾所大學(xué)從事高精度時(shí)間間隔測(cè)量的研究工作。本論文根據(jù)時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器( TDC)的基本原理,結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一種通用性較強(qiáng)的時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)。本論文主要研究工作與創(chuàng)新如下:
　　1.設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的時(shí)間-模擬轉(zhuǎn)換電路(

3、 TAC)來實(shí)現(xiàn)時(shí)間間隔測(cè)量。在以往時(shí)間-模擬轉(zhuǎn)換電路中多使用晶體管設(shè)計(jì)恒流源,而本系統(tǒng)采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)了TAC中的大電流可控恒流源,比其他恒流源具有更好的實(shí)驗(yàn)效果。并且在 TAC電路前端加入寬帶直流放大部分,提高時(shí)間測(cè)量的精確度。實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)的 TAC電路減小了電容充電的非線性,同時(shí)提高了電壓分辨率。整個(gè)TAC集成在50*17 mm的電路板上,減少了設(shè)計(jì)成本和占用空間,使得TAC部分可以單獨(dú)測(cè)試和應(yīng)用,提高電路的兼容性和實(shí)用性。

4、>　　2.使用高精度的ADC采樣TAC電路的輸出,實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量中的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)后端用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),減少了數(shù)據(jù)的處理時(shí)間,同時(shí)FPGA內(nèi)部集成了外圍控制、譯碼和接口電路,降低設(shè)計(jì)成本,提高了轉(zhuǎn)換速率。
　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由FPGA硬件程序設(shè)計(jì)完成,實(shí)現(xiàn)了對(duì)TAC電路的控制,完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中的上升沿檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集模塊的控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計(jì),降低了外圍電路的設(shè)計(jì)成本。